Advanced Materials:双阴离子共同“铺路”助力实现快充钠离子电池

由于低廉的成本和丰富的资源,钠离子电池是未来储能领域的理想选择。但是迟缓的反应动力学与有限的理论比能量都限制了钠离子电池的实用化。设计多电子反应提升钠离子电池的理论能量密度是一种有效的途径。然而对应于多电子反应,多个钠离子的同时存储将会导致反应动力学的下降。因此,通过材料宏观尺度与微观结构的双向设计,实现储钠速度与稳定性的同步提升,是创新研究的重要方向。

北京理工大学陈人杰教授课题组针对这一思路利用四硫代钼酸铵作为硫源与钼源、硒粉作为硒源合成了具有2H和1T复合相结构的MoSSe。其中,1T相具有高电子电导的金属特性,并有利于电解液的浸润;而2H相是可以在自然界中稳定存在的相,具有稳定的储钠结构。通过与石墨烯片复合形成三维导电结构,可以实现Na+与电子在电极中的快速传输。与此同时,MoSSe纳米棒之间存在均匀的空隙,为缓解体积膨胀预留了空间。由于引入离子半径较大的Se2-离子,不仅扩大了材料的层间距,而且形成了少层结构,减小了层间的相互挤压力。

通过材料电化学性能的系统表征,证明了材料储钠动力学性能的有效提升。在0~60°C的温度范围内,在0.2~6.4A g-1的电流密度下,均表现出良好的循环稳定性。并与有机酯类电解质和无机固态电解质(Na3PS4)都具有良好的相容性,可以同时实现高倍率与长循环性能。通过动力学研究发现,显著的赝电容效应和快速的Na+迁移有利于多电子与多离子的高效存储。

结合原位表征与理论模拟,证明MoSSe电极具有较为复杂的储钠过程,其较高的比容量是来源于反应过程中产生的单质硫与单质硒的贡献。从不同电位下的X射线吸收谱中可以观察到Mo-S与Mo-Se键逐渐变弱,说明在充放电过程中逐渐形成了稳定的单质硫与单质硒,并且实现了高度可逆的循环。在双阴离子MoSSe结构中,Na+的吸附能与迁移能垒都得到了优化,这也可以解释动力学性能提升的深层原因。该研究工作将为阴离子调控与相结构设计提供新的观点,并为基于多电子反应实现钠离子电池理论能量密度的有效提升提供新的思路。

相关结果发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.202003534)上,并于当期Inside Back Cover做简要介绍,黄永鑫副研究员为本文的第一作者。